模电课件 第四章 集成运算放大电路

uid 为净输入电压，即差模输入电压, uid uP uN
2020/2/28
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设A0d 105
uo的最大值Uom=10V。
则uId 104V 0.1mV
电压传输特性
则uid在 0.1m V范 围 内 ， 运 放 工 作 在 线性 状 态 ， 若超出0.1m V, 运放工作在正负饱和状态 (非 线 性 状 态)。
UCEQ1 U BE 3 U BE1 1.4V工作在放大状态
IR
当T1，T2，T3均工作在放大状态时,
各电流之间关系为：
IC
IE3
IC
IR怎么算？
2 2
Io更加稳定
2020/2/28整理后可得 Io 模电2课件 2 2 I R
三、微电流源
晶体管T0是基准管，它的U BEQ 0.7V , UCEQ U BEQ 0.7V ，
将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流
通路如图3所示。
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图3
（4） 交流分析 差分输入级中的T5、T6、T7管构成高精度镜像电流源作为差
分电路的有源负载。 电压放大级：复合管T16，T17，有源负载IC13 。 输出级中的R7,R8,T15组成倍增电路（交流短路）， 给互补输出管T14，T18,T19提供静态偏置，以消除交越越失真。
三、集成运放的电压传输特性
集成运放符号
集成运放有两个输入端，一个输出端。当uP为正时， uo为正，称uP为“同相输入端”，当uN为正时，uo为 负，称uN为“反相输入端”。
集成运放的电压传输特性是开环时，uo与uPuN之间 关系。
即： u0 A0（d uP uN） A0d uid
式中Aod为差模开环放大倍数，一般很大，可达几十万倍。
极管。因此，分立元件放大电路中的偏置电路尽量采用电阻分压器 形式。而集成运放由于制作工艺的特点，制作一个大电阻所需的硅 芯片面积要远高于制作晶体管的面积。因此，在集成放大电路中会 尽量少用电阻，一般不采用电阻分压方式提供静态偏置。
分立元件放大电路中常用的大容量（大于1 ）电容通常是铝 质电解电容，小容量电容有瓷片电容等，成本一般都较低。设计时 可应用大电容实现低频交流旁路(图1中的Ce)或直流隔直作用(图1中 的C1，C2)。而集成运放中，利用PN结电容效应很难制作出容量稍 大的电容。
1、有源负载共射放大电路
IC2 2 IR
输出电流
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这是一个共发射极放大电 路。以前在Vcc和T1之间 接Rc。现在由电流源代替。
基准电流
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T2、T3和R组成镜像 电流源。只要确定R， IR就确定。Ic2就确定。 因此可以提供合适的
静态偏置。
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这个集电极负载叫做有源负载
将式（1）,式（2）代入式（3），同时考虑IC0IE0 IC1IE1
基准
Re

UT IE1
ln I E0 IE1

UT IC1
ln
IR IC1
(4)
输出
例，当电源电压等于+15V，
，
若要产生IC1 10A 的恒流源，试确定电阻R1的值。
将参数代入式（4）可得 Re 11.97K
若不采用微电源源电路，采用基本恒流源电路，虽然只需要一个 电阻R，但此时电阻阻值要求为：
工作在放大状态。
IC0

I0 R
T0管发射极电流与发射极电压之间的关系为：
U BE 0

UT
ln
IE0 IS
(1)
T1管发射极电流与发射极电压之间的关系为：
U BE 1

UT
ln
IE1 IS
(2)
由基极回路方程得：
U 2020/2/28BE 0 U BE 1 I E1 Re 模电(课3件)
工作在放大状态。
当T0与 T1特性参数完全一致时，由U BE0 = U BE1可推得
IB0 = IB1 = IB IC0 = IC1 = Io 由基极输入回路得，
Io
IR
VCC
U BE R
I0 2IB

I0

2

I0

所以，I0

1 1 2
IR
基准电流
输出电流

当
时，I0 I R 。
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极 6、最大差模输入电压Uidmax 限 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时，差 参 分管将反向击穿。 数
7、最大共模输入电压Uicmax
在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模
3、输入偏置电流IIB
运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输
入电流的大小。
4、输入失调电压温漂dUio/dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量dUio与 温度变化量dT之比。
5、输入失调电流温漂dIio/dT
在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量dUio与
温度2020变/2/2化8 量dT之比。
基准电流源等四个基本部分。 （2） 基准电流分析 运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源，由它产生基准参
考电流IR 。 （3） 静态偏置分析 在基准电流基础上，通过镜像直流电流或微镜像直流电流源，
产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源，这些直流恒流源提供 放大用晶体管的静态偏置。
将镜像直流源电路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通路 ，用于分析各级直流偏置。
所以线性区很窄。
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§4.2集成运放中的电流源电路
集成运放中的电流源由晶体管或场效应管组成，其作用： 1、为各级放大器提供合适的静态工作点； 2、代替大电阻，以提高放大电路的放大能力。
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一、基本电流源电路
1、镜像电流源
晶体管T0是基准管，它的U BEQ 0.7V , UCEQ U BEQ 0.7V ，
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（3） 静态偏置分析 T10与T11构成微镜像电流源，一方面给T3、T4的基极提供
偏置，另一方面由T8、T9构成的镜像电流源给T1、T2、T3、T4的 集电极提供恒流偏置，同时作为T1、T2的恒流负载。
T13与T12构成镜像电流源。T13一方面给T17提供偏置电流 ，同时作为T17的有源负载。
在集成运放电路中通常只能制作小容量（几十pF）电容，不能 制作大202容0/2/量28 电解电容，级间通常模采电课用件 直接耦合。
四、以电流源为有源负载的放大电路
在集成运放的共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大 倍数，常用电流源电路取代Rc （或Rd ），这样在电源电压不 变的情况下，既获得合适的静态电流，又可以得到很大的等效 的Rc（或 Rd ）。
（1） 运放电路的结构分解 输入级是一个差动放大电路，主要由T1、T3（共集-共基组合）
和T2、T4组成。中间放大级由T16、T17、T13组成共集—共射电路； 输出级由T14、T18 、 T19组成互补输出电路。
（2） 基准电流分析 T12、R5、T11组成运放的基准电流源,流过R5的基准电流为
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（4） 交流分析 运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加 功能电路，如交越失真补偿电路等， 这些电路通常并不影响放大 电路指202标0/2/计28 算。对辅助电路进行模简电课化件 ，可以方便交流分析。
得到简化的交流等效电路后，将晶体管用小信号模型替代，就可以 计算放大电路的动态指标。
二、集成运放的电路组成
1、输入级：运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主 要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采 用CC-CB复合管，以便拓展通频带。 2、中间级：电压放大，要求：放大倍数要尽可能大，通常采 用共202射0/2/2或8 共源电路，并采用恒模电流课源件 负载和复合管以增加电压 放大倍数。
由于制造工艺的限制，分立元件放大电路中不同三极管特性参 数的离散性很大，例如，即使同一批次三极管的放大倍数 可能在 200～400之间，设计时必须充分考虑。集成放大电路的特点是在同 一基片上可以制作参数一致性好的晶体管。
因此，集成运放电路中大量采用晶体管设计恒流源偏置电路。 集电极202负0/2/载28 也不采用电阻，而是模采电课用件 恒流源作为负载。
同相，反相
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§4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
1、输入失调电压Uio 输入电压为0时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入 端的失调电压。 Uio越小，电路对称性越好。
2、输入失调电流Iio 输入电压为0时，差分输入级差分对管基极电流之差。 用于表 征差分级输入电流不对称的程度。
二、集成运放的电路组成
3、输出级：双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式， 其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范 围。两只输出管轮流导通。为消除交越失真，通常会给输出 管提供适当的偏置电流。 4、偏置电路：运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置 电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现， 熟悉202各0/2/2种8 形式的恒流源电路是模电阅课读件 运放电路的基础。
（有电源才能工作），电流源 动态电阻等于uCE2/ic2 ,为无穷 大。
对于共射极放大电路
Au

Uo Ui
RC // RL
Rb rbe
Rc用有源负载代替，提高了 放大倍数。
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运算放大器的读图过程如下： （1） 运放电路结构分解 根据运放结构特点，将运放分解成输入级、中间级和输出级、
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